高壓共軌燃油系統(tǒng)后噴射控制研究

胡 勇，李文勇，鐘劍貞

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004）

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)將燃油分成多次相對獨立的噴射，逐次噴入到燃燒室內(nèi)進行燃燒，通過對多次噴射的每次噴射油量、定時及噴射間隔的精確靈活的控制，來控制柴油機燃油噴射。多次噴射分為預噴、主噴、后噴，可有效降低排放和噪聲，優(yōu)化發(fā)動機的輸出轉矩，是當前改善發(fā)動機性能的關鍵技術和研究的熱點［1］。本文主要對后噴射控制策略進行設計，通過ECU的實時控制，實現(xiàn)在柴油機全工況范圍內(nèi)后噴射的最佳控制，達到改善柴油機性能的目的。

1 后噴射作用分析

當發(fā)動機處在不同的工況時，使用不同的燃油噴射策略，使發(fā)動機的性能和排放均達到更加優(yōu)良的狀態(tài)。后噴射的噴射正時一般發(fā)生在10°～40°CA ATDC［2］，在主噴射結束后迅速向缸內(nèi)噴入少量燃油，可促進前期產(chǎn)生的PM和未燃HC繼續(xù)燃燒氧化。后噴射能將主噴射燃燒產(chǎn)生的PM帶入到燃燒室擠流區(qū)，后噴完成之后，缸內(nèi)逆擠流速度增加，局部禍旋運動增加。氣流流速的增加有利于殘余燃油蒸氣以及后噴射燃油蒸氣與空氣的混合，加強了缸內(nèi)擾動，提高燃燒后期缸內(nèi)的溫度，加強燃油與新鮮空氣的混合，從而促進PM和HC的氧化，還可使柴油機的輸出轉矩增大。據(jù)研究，后噴射不能在柴油機任何工況下都起作用，只有在采用了排氣后處理系統(tǒng)后才對降低有害排放物有貢獻［2］，且后噴必須結合EGR系統(tǒng)一起使用，以此來保證NOx排放維持在可接受水平［3］，否則在某些工況中使用后噴反而使燃燒有所惡化，因此合適的后噴控制策略就顯得尤為必要。

由于實際發(fā)動機工況的要求以及噴油器等硬件條件的限制，目前一個循環(huán)最多可以實現(xiàn)5次噴射［4］，包括2次預噴、主噴射以及2次后噴，即近后噴、遠后噴。

近后噴是將HC氧化，近后噴不產(chǎn)生轉矩。隨后噴量和主、后間隔角的增加，主噴燃油減少、噴油重心后移，減少了燃燒前期參與燃燒反應的燃料量，使NOx的生成量減少，但經(jīng)濟性有所惡化［5］。

遠后噴用于燃燒燃燒室里的炭煙，同時對排氣后處理系統(tǒng)的再生也有一定作用，遠后噴會產(chǎn)生轉矩。由于采用EGR技術，其空燃比變小，使燃燒過程產(chǎn)生的煙度較大，通過遠后噴射降低中高負荷工況的煙度，且隨著負荷率的增加，效果愈加明顯［4］。

2 后噴射控制策略設計

后噴射控制策略就是指ECU對后噴射控制參數(shù)的實時控制邏輯。正確合理的控制策略是系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠的保證。綜合考慮柴油機的各種運行工況，采用基于油量的噴射控制策略。后噴射控制參數(shù)包括噴油壓力、射油量、噴射定時等參數(shù)。其中噴油壓力的目標值與主噴射一致，噴射協(xié)調(diào)、后噴油量、后噴起始時刻、噴油器作用時間和后噴釋放的綜合控制可由軟件編程實現(xiàn)。

2.1 后噴射協(xié)調(diào)

所謂的噴射協(xié)調(diào)是用來確定每循環(huán)每缸噴射次數(shù)以及優(yōu)先級問題。由硬件和軟件兩方面限制。硬件主要包括油泵泵油量，噴油器物理特性，升電電容負荷等。軟件方面主要用于解決不同工況時采用不同的噴油組合方式以及各噴射之間的協(xié)調(diào)控制。本文主要研究后噴控制，因此暫不考慮預噴相關內(nèi)容。

2.1.1 后噴射優(yōu)先級管理

考慮到高壓油泵的泵油能力、電控噴油器的起動性能取決于電池的充放電性能以及包括電控噴油器在內(nèi)的軟硬件的性能等因素，燃油噴射系統(tǒng)存在最大噴射次數(shù)，若系統(tǒng)在某工況觸發(fā)的噴油次數(shù)大于最大噴射次數(shù)，則需要關閉一些觸發(fā)噴油次數(shù)，此時考慮噴油優(yōu)先級。

對于后噴系統(tǒng)，由于存在正常模式與再生模式，所以需對噴射狀態(tài)字進行優(yōu)先級管理。正常模式下優(yōu)先級：主噴-遠后噴-近后噴；當采用EGR時，再生模式優(yōu)先級：主噴-近后噴-遠后噴。如表1所示，1表示最高優(yōu)先級，2，3…優(yōu)先級依次遞減，預留位無優(yōu)先級。

表1 正常模式和再生模式下的優(yōu)先級安排

2.1.2 后噴協(xié)調(diào)

如表2所示，采用8位控制字實現(xiàn)主噴+近后噴+遠后噴的觸發(fā)管理。為確保系統(tǒng)的擴展性和移植性，8位控制字中 “0”、 “4”、 “7” 作為預留位使用，可保證在不增加非常多次噴射的情況下繼續(xù)使用本策略，從而保證了控制策略的擴展性。當某位為1時，表示該位對應的噴射釋放，否則，表示噴射禁止。

表2 控制字分配

一般情況下，主噴在各工況都是必不可少的，噴射協(xié)調(diào)主要解決的問題就是近后噴、遠后噴的協(xié)調(diào)方式。表3為后噴射協(xié)調(diào)組和4種控制方式。

表3 后噴組和控制方式

發(fā)動機的各種工況都對應著一種最佳的后噴組和方式，其決定過程如下：①以發(fā)動機轉速、噴油量、冷卻水溫和進氣溫度為輸入，經(jīng)處理后得到表3中對應觸發(fā)序號；②以①中結果和發(fā)動機工況為輸入?yún)?shù)，經(jīng)處理后得到后噴組合方式；③根據(jù)大氣壓、溫度等對后噴組和方式進行判斷和修正，得到最終的后噴組和方式。

2.2 后噴射的觸發(fā)

后噴射的觸發(fā)與預噴射觸發(fā)不同，主要是依據(jù)尾氣處理系統(tǒng) （包括微粒捕捉器和催化氧化器）的啟用情況來決定的［6］。圖1為近后噴觸發(fā)示意圖。

當噴射觸發(fā)后，將觸發(fā)狀態(tài)輸送到表2控制臺，組成多次噴射狀態(tài)控制字。然后將觸發(fā)的控制字按位進行 “或”運算，將所得到的總觸發(fā)噴射控制字進行取位求 “和”運算，計算觸發(fā)噴射N1。并由泵油能力、電池的充放電性，確定最大噴射次數(shù)N2。N1與N2較小的值作為噴射次數(shù)。

2.3 后噴射油量的控制

高壓共軌系統(tǒng)噴油量的大小，實際上是由某一軌壓下作用于噴油器電磁閥的噴射脈沖寬度所決定的。后噴油量在控制策略中用其占總油量的百分比表示。圖2所示為后噴油量控制示意圖，ECU根據(jù)發(fā)動機轉速與所需轉矩，從轉矩／油量換算MAP中運用線性插值法確定轉矩／油量換算曲線。則每循環(huán)每缸目標總噴油量由發(fā)動機需求轉矩根據(jù)油量／轉矩換算曲線通過內(nèi)插法確定。然后根據(jù)轉速和目標噴射總油量通過查基本油量MAP確定噴油量基本值，結合修正因子對基本噴油量進行修正，得到的結果與當前工況下的最大噴油量作比較，較小的值作為中間噴油變量，同時考慮當前軌壓確定的最小噴油量，取兩者的最大值作為最終后噴油量。

考慮到燃油溫度對燃油密度ρ的影響，在計算每循環(huán)燃油噴射量時，將質(zhì)量計的噴油量Qm轉化為體積量Qv， Qv=Qm÷ρ（t）。 通過燃油體積的合理調(diào)整，可有效避免噴油量的突變，保證發(fā)動機平穩(wěn)運轉。

2.4 后噴射時間控制

后噴與主噴之間的間隔、后噴持續(xù)時間等，對柴油機的燃油消耗、HC、煙度、NOX等指標有重要影響，因此設置合理的后噴噴射時間是至關重要的。

2.4.1 后噴噴射始點的確定

后噴射始點以主噴始點為參考點，稱之為相對始點。根據(jù)發(fā)動機的轉速和目標總噴油量，通過查找各次噴射的噴射始點MAP，可以確定噴射起始時刻的基本值，同時還要考慮環(huán)境因子對噴射始點的影響，對其進行修正。圖3為噴射始點確定示意圖。

2.4.2 噴油器作用時間的確定

噴油器作用時間以圖4中得出的估算作用時間為基本量，考慮噴油器閉合和噴射停止時間差，對其進行修正。噴油器作用時間由于其本身特性存在最小作用時間，由系統(tǒng)標定時確定，當噴油器作用時間小于最小作用時間時，選取最小作用時間為噴油時間。

2.5 噴射釋放

在確定了后噴次數(shù)、噴油時間等參數(shù)后，還將面臨噴射最終是否能釋放的問題。現(xiàn)以近后噴射為例，設計后噴釋放狀態(tài)字如表4所示。其中第7位優(yōu)先級最高，0位優(yōu)先級最低。

表4 近后噴釋放狀態(tài)字

3 相關噴射參數(shù)的修正

前文中的控制量基本上是通過節(jié)氣門位置信號和發(fā)動機轉速信號判斷發(fā)動機所處工況，然后查詢基本MAP圖得出基礎控制量。除此之外，ECU還要考慮進氣溫度、蓄電池電壓等信號的影響，并對MAP進行修正，提高控制系統(tǒng)精度。本文以進氣溫度、蓄電池電壓為例，介紹修正方法。

3.1 蓄電池電壓試驗修正

蓄電池電壓的大小對汽車有重要的影響，例如電動燃油泵對電壓的變化十分敏感，當電壓較低時，燃油泵的轉速偏低，電壓較高時，燃油泵轉速變高，致使泵油能力出現(xiàn)波動，從而燃油壓力出現(xiàn)波動，最后導致噴油量出現(xiàn)變化。蓄電池電壓對噴油器中電磁線圈的吸引力也有重要的影響，蓄電池電壓的波動，致使噴油器針閥的開啟和關閉時間出現(xiàn)誤差，從而導致噴油量的變化。本文對噴油器在不同蓄電池電壓下的流量特性進行試驗，以12V為標準電壓值，得到如圖5所示的噴油脈寬修正圖。

3.2 進氣溫度理論修正

由于進氣溫度對氣體密度有很大的影響，從而影響空燃比，對發(fā)動機燃燒具有重要作用，所以需對因進氣溫度影響的噴油量進行修正。以下為從理論角度對進氣溫度進行修正。

由理想氣體狀態(tài)方程可得發(fā)動機每循環(huán)的進氣量

得出過量空氣系數(shù)

式中：qo——標況下燃油量；gh0——標況下單位質(zhì)量燃油完全燃燒所需空氣量；gh——實際情況下單位質(zhì)量燃油完全燃燒所需空氣量。

令進氣溫度分別為To、T時的過量空氣系數(shù)相等，此時

整理可得進氣溫度修正系數(shù)為：以To時的進氣溫度為標準，當進氣溫度高于To時，空氣變稀薄，為補償混合氣，需要減小噴油量；當進氣溫度低于To，為補償混合氣，需要增大噴油量。通過適合的試驗值進行擬合，可得出修正系數(shù)計算式。

4 后噴射的應用

中國在高壓共軌系統(tǒng)上的研究較晚，而且受發(fā)動機硬件設施的影響，后噴在中國大多處于研究階段，以引進國外先進技術為主。在中國采用后噴的發(fā)動機及其生產(chǎn)主要廠家如表5所示。后噴射控制主要通過形成控制策略儲存于汽車電控單元ECU中，然后根據(jù)汽車傳感器采集得到的汽車運行狀況信息，控制電控高壓油泵泵油和電控噴油器的開啟與關閉來完成后噴。

表5 中國采用后噴的發(fā)動機及其主要生產(chǎn)廠家

5 結束語

本文根據(jù)柴油機后噴射作用機理，針對采用EGR技術路線的發(fā)動機，以有效降低燃燒噪聲、減少排放為目的，分析設計高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)后噴射控制策略，后噴射是降低碳煙排放的有效手段。研究后噴射控制中有關噴射協(xié)調(diào)、后噴射量、噴射起始時刻、噴射器作用時間和噴射釋放以及相關參數(shù)修正等問題，對發(fā)動燃燒優(yōu)化、尾氣排放具有明顯的效果。

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